Electrochemical pH control technology in micro/nano space and its bioapplication

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H02577
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 28050:Nano/micro-systems-related
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: Miyake Takeo 早稲田大学, 理工学術院(情報生産システム研究科・センター), 教授 (50551529)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 太田 善浩 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10223843) ; 三留 規誉 常葉大学, 教育学部, 准教授 (90431981)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: pH制御 / バイオプロトニクス / ATP合成酵素 / 電気化学 / バイオトランスデューサー / ミトコンドリア

Outline of Final Research Achievements

In this study, we have developed organic Protode electrodes with high affinity for hydrogen ions (proton), and placed liposomes containing ATP synthase from thermophilic bacteria or isolated mitochondria with ATP synthesis activity in their vicinity. We have comprehensively evaluated the ATP synthase function (from the enzyme molecular level to the intracellular level) and worked to construct an interactive biointerface where the device can control the proton driving force and thus ATP synthesis in biology.

Free Research Field

バイオプロトニクス

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

これまで工学分野では、ミトコンドリアの仕組みを利用して化学エネルギー(グルコースなど)から電気を創るバイオ燃料電池の開発が盛んであった。しかし本来ミトコンドリアの機能は、電気化学ポテンシャルの差(グルコース/酸素)を利用してATP分子の化学エネルギー源を体内に貯蔵しておくことである。このバイオ素材(ミトコンドリア)の機能をプロトン(H+)を介してデバイスで制御すべく、申請者は溶液中のH+濃度(pH)を制御できる有機電極“バイオトランスデューサ” を開発し、本デバイスとミトコンドリアを有機的に統合させることで双方向の情報伝達(pH計測・pH刺激)を実現させる学術的意義を有する。